Biologisk rensning i recirkulerede opdrætsanl

Transkript

1 Temadag Vandbehandling i recirkulerede opdrætsanl tsanlæg Biologisk rensning i recirkulerede opdrætsanl tsanlæg - Kinetik i biofilter anlæg Kenneth Janning DHI

2 Recirkulation i fiske opdrætsanlæg Q ind Q ud TAN mg (NH 4 -N+NH 3 -N)/l Fiskekar Filtrering Biologisk rensning Problemstilling: Vandkvalitet i opdrætsvand Vandkvalitet ved udledning til recipient Q ind m 3 /d

3 Processer og kinetik i biologiske filtre Hvad er en biofilm? Hvorfor anvende biofilm teknologi som rensning i fiske opdrætsanl tsanlæg? Biologiske processer i biofiltre Biofilm kinetik procesbeskrivelser og omsætningshastigheder Vandkvalitetskrav s s betydning for design af biofiltre Populationsdynamik i biofiltre konkurrencen om ilten

4 Hvad er en biofilm? Et biofilter består r af et medie (plast, sten, træ,, metal ) ) med stor overflade hvorpå en biofilm af bakterier sidder fasthæftet ftet og fikseret i et fintmasket netværk (EP) Biofilmen tilføres næring når r filtret beskylles med opdrætsvand indeholdende stoffer som primært rt udskilles fra fiskene. tofferne transporteres ind i biofilmen ved molekylær r diffusion

5 Hvad er en biofilm? Bakterierne i biofilmen formerer sig ved næringstilfn ringstilførslen, rslen, hvilket får r biofilmen til at vokse sig tykkere Bakterierne i biofilmen lever i en økologisk balance som får f r de hurtigst voksende til at udkonkurrere de langsommere voksende, afhængigt af den næring n og koncentrationen hvormed næringen n tilføres

6 Hvorfor anvende biofilm teknologi til fiske opdrætsanlæg? Fordele ved anvendelse af biofiltre til fiske opdrætsanl tsanlæg Biofiltre ideelle til biologisk rensning af opløste stoffer Biofiltre kan opretholde en høj h celleopholdstid Langsomt voksende bakterier (nitrifikanter( nitrifikanter) ) udvaskes ikke Processtabil Beskyttelse i biofilm Kan udsættes for en høj h j og variabel hydraulisk belastning Kompakt og ofte simpelt design elvrensende Mulighed for integreret løsning l af CO -fjernelse, iltning, køling k samt nitrifikation (Rislefiltre)

7 Hvorfor anvende biofilm teknologi til fiske opdrætsanlæg? Risici ved anvendelse af biofiltre til fiske opdrætsanl tsanlæg Følsomme overfor overbelastning (rislefiltre) Manglende biofilmkontrol Ukontrollabel biofilmafrivning Tilstopning af biofiltre Lang oppodningstid (nitrifikation) Forskellig populationdynamisk vækst giver risiko for overbegroning af nitrifikanter Diffusionsbegrænset nset omsætning resulterer i lav omsætningshastigheder ved rensning i lave koncentrationer

8 toffjernelse i recirkulerede fiske opdrætsanlæg Partikler (ned til μm) Filtrering Total Ammoniak, TAN (NH 4+ +NH 3 ) Nitrit, NO - Nitrat, NO - 3 Opløst omsætteligt COD CO Biofilter Biofilter Biofilter Biofilter Biofilter/udluftning Biofiltrene er den mest følsomme f procesenhed, som sammen med den fysiske filtrering udgør kernen i den rensningsmekanisme som kan opretholde en god og ensartet vandkvalitet i et recirkuleret fiske opdrætsanl tsanlæg.

9 Nitrifikationen nøgleprocessen i det biologiske renseanlæg Problemstillinger ved nitrifikation i biofiltre Nitrifikanter er langsomt voksende lang oppodningstid Nitrifikanter skal konkurrere med hurtigere voksende bakterier om den tilstedeværende ilt i biofilmen overbegroning Vandkvalitetskravet til TAN er ofte meget lavt lav omsætningshastighed Meget følsomme f overfor fald i alkalinitet, ph og temperatur lav omsætningshastighed Kan under stressede forhold producere nitrit toksisk i vandmiljø Er følsomme f overfor partikler i vandet, som kan afskærme bakterierne i at fåf tilstrækkelige kkelige iltbetingelser Filtrering foran biofiltre ofte påkrp krævet

10 Nitrifikationen nøgleprocessen i det biologiske renseanlæg NH + 4 HCO + 3 O AUTOTROFE BAKTERIER KRÆVER: + NH 4+ (elektrondoner,, energikilde) + O (elektron acceptor,, iltningsmiddel) + Alkalinitet + Uorganisk kulstof Organisk stof (COD) Nitrosomonas bakterier H CO 3 NO - O HCO + 3 Nitrobakter bakterier NO - 3 H CO 3

11 Denitrifikationen processen som sikrer fuld kvælstoffjernelse Problemstillinger ved denitrifikation i biofiltre Kræver organisk kulstof De fleste DN bakterier kan både b bruge ilt og nitrat som iltningsmiddel for omsætning af COD. Er både b ilt og nitrat tilstede vil de først f omsætte ilten pga. et større energiudbytte Kulstofkilden skal være v påp opløst form og være v letomsættelig ttelig Iltfølsom lsom Kan under stressede forhold producere nitrit

12 Denitrifikationen processen som sikrer fuld kvælstoffjernelse Toksiske i vandmiljø O COD NO - 3 NO - NO N O N Næringsstoffer H + CO HETEROTROFE BAKTERIER KRÆVER: + Organisk stof (COD) + NO 3- og O + Aciditet + Næringsstoffer, N N, P, K, Fe,

13 Nitrifikation Denitrifikationen Problemstillinger ved kombineret nitrifikation (N) denitrifikation (DN) i biofiltre N kræver ilt, DN tåler t ikke ilt DN kræver organisk stof, organisk stof er en trussel mod N DN bakterier vokser væsentligt v hurtigere end N bakterier Heterotrofe bakterier vil helst omsætte ilt og COD. Dermed kan COD kilden let reduceres til skade for de denitrificerende bakterier

14 Kinetik i biofiltre Omsætning i den enkelte bakterie: Væksthastighed, μ d -1 μ max μ max / μ obs = μ max + K K ubstratkoncentration g/m 3 K -værdier,, nitrifikation (Nitrisomonas( Nitrisomonas) K,NH4 = 0,3-0,7 0,7 g NH 4 -N/m 3 K,O = 0,5-1,0 g O /m 3 K -værdier,, nitrifikation (Nitrobakter( Nitrobakter) K,NH4 = 0,8-1, g NH 4 -N/m 3 K,O = 0,5-1,5 g O /m 3 Henze et al. (000) Wastewater Treatment, biological and chemical processes

15 Kinetik i biofiltre Omsætning i en biofilm: Omsætning i biofilmen : N Omskrivning : x r Vf = D x N = x Transport af stof ind i biofilmen : f ; ; N = D f x ; Omsætning af stof i biofilmen med stoftransport (diffusion) : x f = r vf D Beskrivelse af r vf?

16 Kinetik i biofiltre Omsætning i biofilmen: Væksthastighed, μ d orden μ max 0. orden μ max / K K ubstratkoncentration g/m 3 1. ordens tilfældet : 0. ordens tilfældet : r r vf vf = k = k 1 f 0 f vf

17 Kinetik i biofiltre 1. ordens proces i biofilm Omsætning i vandfasen udenfor biofilmen: 1. ordens tilfældet : < K r r k A A 1 f L = = k 1 f tanhα k L, α = α = arealspecifik omsætningshastighed i vandfasen = 1.ordens hastighedskonstant biofilm tykkelsen D = diffusionskonstant, [ m] [ m / d] 1 f -1 [ d ] L D [ g/m /d] Henze et al. (000). Wastewater treatment, biological and chemical processes

18 Kinetik i biofiltre 0. ordens proces i biofilm Omsætning i vandfasen udenfor biofilmen: 0. ordens Indtrængnings dybde i biofilmen : β = β > 1: β < 1: tilfældet : > K Biofilmen fuldt penetreret () Biofilmen delvist penetreret (1) D k L 0 f Henze et al. (000). Wastewater treatment, biological and chemical processes

19 Kinetik i biofiltre 0. ordens proces i biofilm Omsætning i vandfasen udenfor biofilmen: 0. ordens tilfældet : β > 1 r r k A A 0f L = = k 0 f L = arealspecifik omsætningshastighed i = omsætningshastighed i biofilmen biofilmens tykkelse[ m] vandfasen [ g/m / d] 3 [ g/m biofilm / d] 0. ordens tilfældet : β < 1 r r k = substrat koncentrationen i vandfasen D = k A A 0f = k, = arealspecifik omsætningshastighed i vandfasen ½A ½ A k ½ A = ½.ordens hastighedskonstant diffusionskonstant, D k [ m / d] 0 f ½ -½ -1 [ g m d ] 3 [ g/m ] = omsætningshastighed i biofilm g/m = 3 [ biofilm / d] [ g/m / d] Henze et al. (000). Wastewater treatment, biological and chemical processes

20 Kinetik i biofiltre Problemstillinger, diffusionsbegrænset nset omsætning i biofilm tofkoncentrationen i vandfasen af det substrat som styrer omsætningshastigheden (nitrifikation: ilt, TAN?) bestemmer reaktionshastigheden og reaktionsordnen (1. orden, ½.. orden, 0. orden) i vandfasen af biofiltret Ved rensning ned til meget lave stofkoncentrationer (< 1mg NH 4 -N/l) bliver reaktionshastigheden i biofiltret meget lav Ved rensning ned til meget lave stofkoncentrationer (< 1mg NH4-N/l) N/l) vil kun en meget lille del af biofilmen være v aktiv (10 0μm) Ved rensning ned til meget lave koncentrationer er det kun relevant at operere med en meget tynd biofilm Ved rensning nede i lave koncentrationsregimer kompliceres kinetikforholdene væsentligt, hvilket vanskeliggøre analytisk fortolkning af forholdene i biofiltret

21 Kinetik i biofiltre Direkte gennemstrømmet mmet biofilter 0. ordensreaktion : ud = ind V ω k Q 0a ½. ordensreaktion : ud = ind ω k½a V + Q 1. ordensreaktion : ud = ind e V ω k Q 1a Henze et al. (000). Wastewater treatment, biological and chemical processes

22 Kinetik i biofiltre Ideelt opblandet biofilter 0. ordensreaktion : k a A Q 0 ud = ind ½. ordensreaktion : ud = k½a A Q + ind k½a A Q 1. ordensreaktion : ud Q = Q + k 1a ind A Henze et al. (000). Wastewater treatment, biological and chemical processes

23 Vandkvalitetskrav, fiskeopdræt Vandkvalitetskravenes betydning for omsætningshastigheden i biofiltre? E.H.Eding et al. (006). Design and operation of nitrifying trickling filters in recirculating aquaculture: : A review. Aquaculture Engineering, vol.34, pp

24 Omsætningshastigheder fiskeopdrætsanlæg r A = 0,5 gtan/m /d Α Nødvendigt = 100 m r A = 0, gtan/m /d Α Nødvendigt = 113 m r A = 0,14 gtan/m /d Α Nødvendigt = 178 m E.H.Eding et al. (006). Design and operation of nitrifying trickling filters in recirculating aquaculture: : A review. Aquaculture Engineering, vol.34, pp

25 komponent diffusion Nitrifikation Iltbegrænsning eller ammoniumbegrænsning nsning? NH ,86 O + 1,98 HCO - 3 0,00 C 5 H 7 NO + 0,98 NO ,98 H CO 3 + 1,04 H O ν O,NH4 = 4,5 g O /g NH 4 -N O O O TAN = ν O, TAN > 3,4 3,6 < 3,4 3,6 D D TAN TAN TAN O 3 go / m 3,4 3,6 gtan / m ammonium begrænsning ( eller ilt begrænsning ( eller 3 0. ordens 0. ordens kinetik) kinetik) Rensning til 1 g TAN/m 3 3,4 g O /m 3 nødvendig i vandfase Rensning til g TAN/m 3 6,8 g O /m 3 nødvendig i vandfase Rensning til 3 g TAN/m 3 10, g O /m 3 nødvendig i vandfase

26 komponent diffusion Nitrifikation Iltbegrænset nitrifikation Ammoniumbegrænset nset nitrifikation

27 Populationsdynamik i biologiske filtre Problemstillinger, populationsdynamik Ved tilledning af opløst letomsætteligt tteligt COD vokser heterotrofe bakterier hurtigt op (enten med ilt eller med nitrat) Når r BOD 5 > 5 O5 trænger det organiske stof længere l ind i biofilmen en ilten, hvilket fuldstændigt fjerner de nitrificerendes bakteriers mulighed for at fåf ilt De heterotrofe bakterier vokser 10 gange hurtigere end de autotrofe bakterier, hvilket dels resulterer i en hurtigere voksende biofilm og dels resulterer i at de heterotrofe bakterier vil sætte s sig i et lag yderst påp biofilmen og omsætte al ilten

28 Populationsdynamik i biologiske filtre Overbevoksning af nitrificerende bakterier i en biofilm

29 Populationsdynamik i biologiske filtre Bovendeur et al. (1990). Fixed-biofilm reactors in aquacultural water recycle systems: Effect of organic matter elimination on nitrification kinetics. Water Research, vol.4, No., pp

30 Populationsdynamik i biologiske filtre Ændret reaktionskinetik i en RBC reaktor Henze et al. (000). Wastewater treatment, biological and chemical processes

31 Omsætningsvariationer i praksis Fodringens betydning for stofvariationer? (TAN, NO 3, NO, CO ) E.H.Eding et al. (006). Design and operation of nitrifying trickling filters in recirculating aquaculture: : A review. Aquaculture Engineering, vol.34, pp

32 Konklusion Biofiltre er den mest velegnede biologiske proces til fjernelse af opløste stoffer i recirkulerede fiskedambrug Partikelfjernelse og opløst organisk stoffjernelse er et væsentligt v element i opnåelsen af en sikker og effektiv nitrifikations proces Behov for effektiv rensning i meget lave koncentrationsområder resulterer i en komplicering af biofilmkinetikken (O /TAN begrænsning, 0., ½.. og 1. ordens kinetik) Kun tynde biofilm! Tykkere biofilm (mere end μm) er unødvendig og kan føre f til forstoppelse af biofiltre når n r biofilmen afrives i store kager amspillet mellem fiskefodring og dimensionering/drift af biofiltre er væsentlig for undgåelse af stoffluktuationer i fiske karrene Modellering og styring af samspillet mellem fiskeproduktion og vandrensning vil kunne føre f til en mere ensartet og optimal vandkvalitet i fiske karrene amspillet mellem partikelfjernelse, biologisk rensning og kemiske oxidations metoder (for fjernelse af geosminer, rest-cod og hygiejnisering) er væsentlig v for opnåelse af en driftssikker produktion